Xem mẫu

  1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -----------***----------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Học viên: Lê Thị Minh Nguyệt Lớp: CHK9 Chuyên ngành: Tự động hoá CB HD Khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi Ngày giao đề tài: 25/06/2008 Ngày hoàn thành: 25/02/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Lại Khắc Lãi Lê Thị Minh Nguyệt
  2. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ----------------***---------------- TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Học viên: Lê Thị Minh Nguyệt Cán Bộ HD Khoa học: Nhà giáo ưu tú - PGS.TS Lại Khắc Lãi
  3. THÁI NGUYÊN 2009 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ----------------***---------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ LÊ THỊ MINH NGUYỆT
  4. THÁI NGUYÊN 2009
  5. LuËn v¨n th¹c sÜ -1- LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lê Thị Minh Nguyệt Sinh ngày 24 tháng 07 năm 1979 Học viên lớp cao học khoá 9 - Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại khoa Kỹ thuật công nghiệp - Trường cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Thái Nguyên. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi mờ và ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở” do PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày 28 tháng 2 năm 2009 Tác giả Lê Thị Minh Nguyệt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  6. LuËn v¨n th¹c sÜ -2- LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi mờ và ứng dụng cho hệ điều khiển có khe hở” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Các thầy giáo, cô giáo thuộc trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Th ái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Khoa đào tạo Sau đại học, Bộ môn Giáo dục học - khoa k thuật công ỹ nghiệp, Ban giám hiệu trường cao đẳng kinh tế kỹ thuật Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện cho việc học tập, nghiên cứu và tiến hành luận văn của tác giả. Đặc biệt tác giả xin dành lời cảm tạ, biết ơn sâu sắc nhất tới bố mẹ cùng gia đình đã hết lòng động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên. Tác giả luận văn Lê Thị Minh Nguyệt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  7. LuËn v¨n th¹c sÜ -3- MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan 1 Lời cảm ơn 2 Mục lục 5 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 9 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 3 1. Lý do chọn đề tài 3 2. Mục đích của đề tài 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4 5. Cấu trúc của luận văn 4 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN 12 1.1.CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN 12 1.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính 12 1.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến 12 1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 14 1.2.1 Khái quát v ề lý thuyết điều khiển mờ 14 1.2.2 Định nghĩa tập mờ 14 1.2.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ 16 1.2.4 Suy luận mờ và luật hợp thành 17 1.2.5 Bộ điều khiển mờ 18 1.2.6. Hệ điều khiển mờ lai (F-PID) 20 1.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 23 1.3.1 Giới thiệu tổng quan 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  8. LuËn v¨n th¹c sÜ -4- 1.3.2. Tổng hợp điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết tối ưu cục 26 bộ (Phương pháp Gradient) 1.3.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi trên cơ sở ổn định 31 tuyệt đối ổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết 1.3.4. T 33 Lyapunov 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 36 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ TRUYỀN 38 ĐỘNG CÓ KHE HỞ 2.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 38 2.2 MÔ TẢ HỆ PHI TUYẾN 40 2.3 MÔ HÌNH HỆ PHI TUYẾN 41 2.3.1. Mô hình tĩnh 41 2.3.2 Mô hình động 43 2.4 HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 44 2.4.1 Giới thiệu 44 2.4.2 Các mô hình của hệ truyền động có khe hở 47 2.4.2.1 Mô hình vật lý của khe hở 47 2.4.2.2 Mô hình Deadzone (vùng chết) 48 2.4.2.3 Mô hình với hàm mô tả 48 2.4.3 Sơ đồ cấu trúc khe hở 49 2.4.4 Khảo sát chất lượng của hệ thống truyền động có khe hở 51 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 53 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ & MỜ THÍCH 54 NGHI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP T HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ỔNG 54 THÍCH NGHI Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  9. LuËn v¨n th¹c sÜ -5- 3.1.1 KHÁI NIỆM 54 3.1.1.1 Định nghĩa 54 3.1.1.2 Phân loại 54 3.1.1.3 Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ 54 3.1.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ỔN ĐỊNH 57 3.1.2.1 Cơ sở lý thuyết 57 3.1.2.2 Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ thích nghi 62 a. Chọn cấu trúc của bộ điều khiển mờ 62 b. Các bước thực hiện thuật toán 63 3.1.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN CƠ 67 SỞ LÝ THUYẾT THÍCH NGHI KINH ĐIỂN 3.1.3.1 Đặt vấn đề 67 3.1.3.2 Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ 68 a. Chọn các hàm liên thuộc 68 b. Chọn luật điều khiển 69 c. Phân tích luật cơ sở hình thành ô suy luận 70 d. Các thao tác mờ trong ô suy luận 71 e. Xây dựng biểu thức toán học của bộ điều khiển mờ 73 3.1.4 XÂY DỰNG CƠ CẤU THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU 74 CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.1.4.1 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) dùng 74 lý thuyết thích nghi kinh điển 3.1.4.2 Điều chỉnh thích nghi hệ số khuếch đại đầu ra bộ điều 76 khiển mờ 3.1.4.3 Sơ ồ điều khiển thích nghi mờ theo mô hình mẫu đ 76 (MRAFC) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  10. LuËn v¨n th¹c sÜ -6- 3.1.4.4 Sơ ồđ điều khiển thích nghi mờ kiểu truyền thẳng 78 (FMRAFC) 3.2 ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 80 3.2.1. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 80 3.2.1.1 Sơ đồ khối mờ 80 3.2.1.2 Định nghĩa tập mờ 80 3.2.1.3 Xây dựng các luật điều khiển “Nếu…Thì” 82 3.2.1.4 Chọn luật hợp thành 84 3.2.1.5 Giải mờ 84 3.2.1.6 Chương trình và kết quả mô phỏng hệ truyền động có khe 85 hở 3.2.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 87 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  11. LuËn v¨n th¹c sÜ -7- DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Một số dạng hàm liên thuộc. Hình 2.2 Đồ thị mô tả các phép toán trên tập mờ Hình 1.3 Đồ thị biểu diễn quan hệ luật hợp thành Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn quan hệ luật hợp thành Hình 1.5 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ Hình 1.6 Ví dụ về cách xác định miền G Hình 1.7 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm Hình 1.8 Giải mờ theo phương pháp điểm trung bình tâm Hình 1.9 Bộ điều khiển mờ động Hình 1.10 a) Nguyên lý điều khiển mờ lai b) Vùng tác động của các bộ điều khiển Hình 1.11 Vùng tác động của các bộ điều khiển. Hình 1.12 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thích nghi Hình 1.13 Điều chỉnh hệ số khuếch đại Hình 1.14 Điều khiển theo mô hình mẫu Hình 1.15 Điều khiển tự chỉnh Hình 1.16 Cấu trúc mô hình mẫu song song Hình 1.17 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình Hình 1.18 Phương pháp thích nghi thông số Hình 1.19 Phương pháp tổng hợp tín hiệu bổ sung Up2 Hình 1.20 Minh hoạ phương pháp Lyipunov với việc khảo sát tính ổn định. Hình 1.21 S đồ khối hệ MRAS dựa trên lý thuyết Lyapunov cho đối tượng bậc ơ nhất Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ truyền động Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ MIMO Hình 2.3 Quan hệ vào ra của khâu phi tuyến hai vị trí Hình 2.4 Quan hệ vào ra của khâu phi tuyến ba vị trí Hình 2.5 Quan hệ vào ra của khâu khuếch đại bão hoà Hình 2.6 Quan hệ vào ra của khâu hai vị trí có trễ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  12. LuËn v¨n th¹c sÜ -8- Hình 2.7 Quan hệ vào ra khâu khuếch đại có miền chết Hình 2.8 Quan hệ vào ra khâu khuếch đại bão hoà có trễ Hình 2.9 Một số hệ truyền động có khe hở Hình 2.10 Khe hở ở đầu cánh tuabin Hình 2.11 Mô hình vật lý của khe hở Hình 2.12 Đặc tính Deadzone Hình 2.13 Sơ đồ mô tả đặc tính khe hở Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc khe hở Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ truyền động có khe hở Hình 2.17 Đặc tính động của hệ thống truyền động có khe hở điều khiển theo luật tỉ lệ Hình 2.18a,b Đặc tính động của hệ thống truyền động có khe hở điều khiển theo luật PID Hình 3.1 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp Hình 3.2 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp Hình 3.3 Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ thích nghi Hình 3.5 Hàm liên thuộc với 7 tập mờ Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán tổng hợp hàm mờ cơ sở ξ(e) Hình 3.7 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ 2 đầu vào Hình 3.8 Định nghĩa hàm thuộc cho các biến vào - ra Hình 3.9 Luật hợp thành tuyến tính Hình 3.10 Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính Hình 3.11 Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp thành Bảng 3.2 Kết quả của phép lấy Max-Min trong ô suy luận Hình 3.12 Các vùng trong ô suy luận Hình 3.13 Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K Hình 3.14 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra Hình 3.15 Cấu trúc hệ FMRAFC Hình 3.16 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  13. LuËn v¨n th¹c sÜ -9- Hình 3.17 Các luật hợp thành Hình 3.18 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ Hình 3.19 Sơ đồ mô phỏng hệ tru yền động có khe hở với bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ theo luật PI Hình 3.20 Sơ đồ khối của khối luật mờ Hình 3.21 Kết quả mô phỏng của hệ truyền động có khe hở với bộ điều khiển PID Hình 3.22 Kết quả mô phỏng của hệ truyền động có khe hở với bộ điề u khiển mờ theo luật PI Hình 3.23 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động khe hở với bộ điều khiển mờ thích nghi Hình 3.24 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ thích nghi Hình 3.25 Sự thay đổi của hệ số khuếch đại đầu ra k theo luật Lyapunov Hình 3.26 Kết quả mô phỏng của hệ truyền động có khe hở với bộ điều khiển PID Hình 3.27 Kết quả mô phỏng của hệ truyền động có khe hở với bộ điều khiển mờ thích nghi Hình 3.28 Kết quả mô phỏng của hệ truyền động có khe hở với bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ & mờ thích nghi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  14. LuËn v¨n th¹c sÜ -10- MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghệ vật liệu thì các lý thuyết mới về điều khiển hệ thống cũng đã xâm nhập nhanh chóng vào thực tế và mang lại tính hiệu quả cao khi dùng các lý thuyết điều khiển mới này. Một trong những lý thuyết mà các nhà khoa học trên thế giới đang quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế đó là lý thuyết điều khiển mờ và mạng nơron. Đây là v đề khoa học đã có từ vài thập niên, nh ưng việc ứng dụng nó vào sản ấn xuất, cũng như sự kết hợp chúng để tạo ra một luật mới có đủ những ưu điểm của các lý thuyết thành phần vẫn đang là lĩnh vực khoa học cần quan tâm và nghiên cứu. Bên cạnh đó, các thiết bị truyền động có khe hở được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế nh ư các truyền động bánh răng; truyền động đai vv…Chúng thu ộc nhóm khâu khuếch đại có trễ. Do có độ dơ trễ giữa các chuyển động nên tính phi tuyến rất mạnh. Trước đây, khi thi t kế các hệ điều khiển này, ta thường giả thiết ế không có độ dơ, trễ giữa các chuyển động. Do có khe hở nên dễ phát sinh dao động làm ảnh h ưởng xấu đến chất lượng của hệ thống. Để giảm ảnh hưởng của khe hở đến chất lượng hệ thống truyền động, người ta đã dùng nhiều biện pháp khác nhau như: Tìm cách giảm nhỏ khe hở (c ơ khí); dùng hệ điều khiển thích nghi, điều khiển mờ… (điện). Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các hệ điều khiển truyền động là yêu cầu quan trọng để thiết lập các hệ điều khiển chính xác nhằm nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Đề tài góp phần nâng cao chất lượng cho các hệ điều khiển truyền động đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển tay máy, các trục truyền động của máy CNC…. Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc CNH-HĐH đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, Khoa đào tạo Sau Đại học và Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi mờ và ứng dụng cho hệ điều khiển có khe hở”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  15. LuËn v¨n th¹c sÜ -11- 2. Mục đích của đề tài Việc điều khiển hệ chuyển động bám theo quỹ đạo mong muốn là vấn đề tồn tại thực tế cần nghiên cứu giải quyết. Hiện nay phương ti n lý thuyết và thực ệ nghiệm cho phép thực hiện được các bài toán phức tạp nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng yêu cầu như độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ cũng như khả năng bám của hệ. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ điều khiển mờ, điều khiển mờ thích nghi và ứng dụng chúng cho hệ điều khiển truyền động có khe hở nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống này. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Hệ thống điều khiển truyền động có khe hở. - Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật toán điều khiển. - Thiết kế hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở logic mờ thích nghi cho điều khiển truyền động có khe hở. - Mô hình hoá và mô phỏng để kiệm nghiệm kết quả nghiên cứu. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về lý thuyết và thực tế: - Về mặt lý thuyết: Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để điều khiển hệ truyền động có khe hở, là một trong những hệ có tính phi tuyến lớn. Kết quả không chỉ áp dụng cho hệ truyền động có khe hở mà còn có thể áp dụng cho những hệ phi tuyến khác. - Về thực tế: Hệ truyền động có khe hở gặp nhiều trong thực tế, việc áp dụng lý thuy điều khiển hiện đại cho hệ này sẽ góp phần nâng cao chất lượng điều ết khiển hệ thống, nâng cao năng suất lao động, nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. 5. Cấu trúc của luận văn Luận án gồm 3 chương, 91 trang, 28 tài liệu tham khảo, 37 trang phụ lục, 68 hình vẽ và đồ thị. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  16. LuËn v¨n th¹c sÜ -12- CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN Trong các hệ t hống điều khiển phân cấp hiện đại cũng như các hệ thống điều khiển đa cấp, hệ điều chỉnh tự động là khâu cuối cùng tác động lên đối tượng điều khiển. Chất lượng của các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của các quá trình công nghệ bao gồm: c hất lượng sản phẩm, năng suất lao động và các chỉ tiêu khác của dây chuyền công nghệ… Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động được đánh giá bởi tính ổn định và các chỉ tiêu khác của quá trình xác lập và quá độ . Ổn định mới chỉ là chỉ tiêu nói lên rằng hệ thống có thể làm việc được hay không, còn chất lượng của quá trình quá độ mới nói tới việc hệ thống có được sử dụng hay không. Vì vậy việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là đề tài được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm. Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và đã có nhiều đóng góp trong các lĩnh vực của điều khiển học kỹ thuật như: trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc ải…V iệc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành 2 phòng, hàng h loại: Tổng hợp hệ điều khiển mờ tuyến tính và hệ điều khiển phi tuyến. 1.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính (bao gồm P, PI, PD và PID) đã được nghiên cứu và phát triển tới mức hoàn thiện. Để xác định được thông số tối ưu (K p, Ki, Kd) của PID t a có thể dùng phương pháp môdul tối ưu, phương pháp môdul đối xứng và các phần mềm chuyên dụng (ví dụ MATLAB) để tự động xác định tối ưu các thông s PID. Đặc điểm của phương pháp này là cần phải biết chính xác mô ố hình của đối tượng. 1.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến Thực tế các hệ thống và các đối tượng vật lý ít nhiều đều có tính phi tuyến, chúng chỉ tuyến tính trong 1 vùng làm việc nào đó. Vì vậy việc nghiên cứu tổng hợp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  17. LuËn v¨n th¹c sÜ -13- hệ phi tuyến có ý nghĩa phổ biến và thực tiễn. Các phương pháp phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến không tiến bộ nhanh như hệ tuyến tính và hiện nay còn đang trong giai đoạn phát triển. hệ phi tuyến có những đặc điểm riêng khác hẳn hệ tuyến tính, ví dụ tính tạo tần, tính phi tuyến, tính xếp chồng. Vì vậy để phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến ta phải dùng các phương pháp gần đúng, các phương pháp gần đúng thường dùng là: - Phương pháp tuy tính hoá gần đúng: được áp dụng cho các hệ gần ến tuyến tính, lúc đó sai lệch so với tuyến tính không quá lớn. Khi hệ thống làm việc ở lân cận một điểm nào đó ta có thể coi vùng làm việc đó của hệ là tuyến tính. - Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà: là phương pháp khảo sát hệ thống trong miền tần số gần giống với tiêu chuẩn Naiquyt, phương pháp này còn được gọi là phương pháp hàm mô ả. Việc dùng hàm mô tả là một cố gắng để mở rộng gần t đúng hàm truyền của hệ tuyến tính sang hệ phi tuyến. Hàm mô ả (hay hệ số khuếch đại phức) của khâu phi tuyến là tỉ số giữa t thành cơ bản của đáp ứng đầu ra với kích thích hình sin ở đầu vào. Nếu một hệ có chứa nhiều khâu phi tuyến ta phải gộp tất cả chúng lại để được hàm mô tả tổ hợp. Phương pháp tuy tính điều hoà cho phép đưa ra kết quả hợp lý và có thể ến dùng cho các h thống bậc bất kỳ, xong vì là phương pháp gần đúng nên ta phải ệ kiểm tra lại độ chính xác bằng các kỹ thuật khác hoặc bằng mô phỏng trên máy tính. - Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn: Từ đặc tuyến phi tuyến của hệ ta chia thành nhi u đoạn nhỏ, mỗi đoạn nhỏ coi là đoạn thẳng và được mô tả bởi ề phương trình tuyến tính. Phương pháp này có ưu điểm là tạo ra lời giải tương đối chính xác cho hệ phi tuyến bất kỳ. Phương trình vi phân dẫn ra trên mỗi phân đoạn là tuyến tính và có thể giải được dễ dàng bằng các kỹ thuật tuyến tính thông dụng. - Phương pháp mặt phẳng pha: Tiện dùng cho các hệ phi tuyến bậc 2 Trong điều khiển kinh điển, sự tác động của máy điều chỉnh được phân thành 2 vùng: vùng tác động lớn và vùng tác động nhỏ. Vùng tác động lớn tồn tại khi hệ thống ở xa trạng thái cân bằng, khi có tác động lớn hệ thống sẽ nhanh chóng dịch chuyển về trạng thái cân bằng, với tốc độ dịch chuyển lớn như vậy hệ thống dễ dàng vượt qua trạng thái cân bằng và gây độ quá điều chỉnh lớn, điều này không mong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  18. LuËn v¨n th¹c sÜ -14- muốn. Vì vậy khi hệ thống gần đến trạng thái cân bằng, cần phải chuyển sang vùng tác động nhỏ để giảm độ quá điều chỉnh. Xuất phát từ ý tưởng đó các bộ điều chỉnh có cấu trúc thay đổi ra đời phát triển đã đáp ứng phần nào yêu cầu nâng cao chất lượng hệ điều khiển phi tuyến. Tóm lại trong một thời gian dài kể từ khi ra đời, lý thuyết điều khiển kinh điển đã có nhiều đóng góp để giải quyết hàng loạt bài toán điều khiển đặt ra trong thực tế. Tuy nhiên chất lượng của hệ thống cũng chỉ đạt được ở mức độ khiêm tốn, nhất là đối với hệ phi tuyến. Với sự ra đời của các lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển nơron…đã tạo điều kiện thuận lợi để các nhà kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng nhằm ngày càng nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển tự động, nhất là đối với các hệ thống lớn, hệ có tính phi tuyến mạnh và khó mô hình hoá. 1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.2.1 Khái quát về lý thuyết điều khiển mờ Từ những năm đầu của thập kỷ 90 cho đến nay, hệ điều khiển mờ đã được các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực khoa học quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất. Tập mờ và logic mờ dựa trên các suy luận của con người với các thông tin không chính xác hoặc không đầy đủ về hệ thống để hiểu biết và điều khiển hệ thống một cách chính xác. Điều khiển mờ chính là bắt chước cách xử lý thông tin và điều khiển của con người đối với các đối tượng. Do đó điều khiển mờ đã giải quyết thành công các vấn đề điều khiển phức tạp trước đây chưa giải quyết được. 1.2.2 Định nghĩa tập mờ Tập mờ là một tập hợp mà mỗi phần tử x của nó được gán một giá trị thực µ(x)∈[0,1] để chỉ thị độ phụ thuộc của x vào tập đã cho. Khi độ phụ thuộc bằng 0 thì phần tử đó sẽ hoàn toàn không phụ thuộc vào tập đã cho, ngược lại với độ phụ thuộc bằng 1, phần tử đó là hoàn toàn thuộc tập đã cho. Cho tập E, gọi A là tập con mờ của E, ký hiệu A   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  19. LuËn v¨n th¹c sÜ -15- A :=( x / µ A (x); x ∈ E )} { (1.2)  Trong đó: µ A (x) được gọi là hàm liên thuộc của tập mờ A với µ A (x) nhận các giá trị  trong khoảng [0 ;1]. Về mặt toán học người ta nói rằng hàm liên thuộc µ A (x) đã ánh xạ mỗi một phần tử x trong tập E thành một giá trị liên thuộc liên tục trong khoảng 0 và 1. Ví dụ một số dạng hàm liên thuộc như hình (1.1). - Hàm Singleton (còn gọi là hàm Kronecker). - Hàm hình tam giác. - Hàm hình thang. - Hình Gauss. µ(x) µ(x) µ(x) µ(x) Tam giác Gaus Hình thang Singleton x x x x m1 m 2 m3 m m0 m1 m 2 m3 m4 Hình 1.1 Một số dạng hàm liên thuộc. Các phép toán trên tập mờ Cho tập E và A , B là hai tập mờ con của E, nghĩa là:   A :=( x / µ A (x); x ∈ E )} , µ A (x) nhận các giá trị trong khoảng [0;1] {  B :=( x / µ B (x); x ∈ E )} , µ B (x) nhận các giá trị trong khoảng [0;1] {  Các tập mờ cũng có 3 phép toán cơ bản là phép hợp, phép giao và phép bù. Phép hợp (OR): Hợp của 2 tập mờ A và B có cùng cơ s E là một tập mờ ở   cũng xác định trên cơ sở E với hàm liên thuộc : {[ x / µ (x) ] , x ∈ E} A ∪ B= (1.2) : A ∪B  Trong đó: µ A ∪B (x) = Max{ µ A (x), µ B (x)}, x ∈ E (1.3) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  20. LuËn v¨n th¹c sÜ -16- Phép giao (AND): Giao của 2 tập mờ A và B có cùng cơ sở E là một tập mờ   cũng xác định trên cơ sở E với hàm liên thuộc: {[ x / µ (x) ] , x ∈ E} A ∩ B= (1.4) : A ∩B  Trong đó: µ A ∩B (x) = Min{ µ A (x), µ B (x)}, x ∈ E (1.5) Phép bù (NOT): cho tập mờ A , gọi tập tập bù mờ của A là A và được định    nghĩa bởi: A :=( x / µ A (x); x ∈ E )} { (1.6)  Với: µ A (x) = 1 − µ A (x) (1.7) Đồ thị mô tả các phép toán hợp, giao và bù của hai tập mờ như hình (1.2) µ µ µ µ A (x) µA(x) µA(x) µB(x) µA(x) µB(x) x x x a. Hợp hai tập mờ b. Giao hai tập mờ c. Phép bù Hình 1.2 1.2.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ Cho tập mờ A có hàm liên thuộc là µ A (x) hàm liên thuộc này cũng chính là  hàm liên thuộc của phần tử x của tập mờ A . Lúc này ta dùng các ký hiệu:  a := b := ... µ A (x), µ B (x), (1.8)   Thì ta gọi a , b là các biến mờ.  Cho y = f (a, b,...) là một hàm của các biến a , b,... điều kiện để y được gọi là   hàm biến mờ là y chỉ phụ thuộc vào các biến mờ và thoả mãn điều kiện: 0 ≤ y ≤1 (1.9) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn